4. TEMPERATURNI SENZORI

- Mjerenje i regulacija temperature je najčešći oblik u regulaciji nekoga procesa

- Za kvalitetno mjerenje temperature potrebno je definirati temperaturnu skalu

- Najčešće temperaturne skale su Celzijeva i Farenheitova (°C i °F)

- Za razliku od navedenih relativnih temperaturnih skala u tehnici se koristi SI apsolutna temperaturna ljestvica u stupnjevima Kelvina

- LEDIŠTE: 32°F 0°C- VRELIŠTE 212°F 100°C

- Konverzija: 0 K = -273,16°C, F = 9/5C + 32, C = 5/9(F - 32)

- U industrijskim primjenama temperatura izražena u °C široko je rasprostranjena, ali je konverzija u Kelvinove stupnjave potrebna pri različitim termodinamičkim proračunima kao npr. proračun plinskih volumena ili tlakova

1

OSNOVE TEMPERATURNIH MJERENJA

- Postoje 4 vrste temperaturnih senzora koji se temelje na fizikalnim svojstvima o kojima ovisi temperatura:

- ekspanzija određenog fluida ili tvari ovisno o temperaturi, koja

uzrokuje promjenu u duljini, volumenu ili tlaku

(živini ili alkoholni termometri)

- promjena u električnom otporu s promjenom temperature

(otporni termometri i termistori)

- promjene u kontaktnom potencijalu između različitih metala - promjene u kontaktnom potencijalu između različitih metala

(termoparovi)

- promjene u energiji zračenja

(optički i radijacijski pirometri)

- Ekspanzijski termometri

- Ako se zagriju s temperature T0 na višu temperaturu T1, metal će se produžiti na duljinu L1, a fluid će ekspandirati do volumena V1

2

- Nova dužina data je jednadžbom:

L1 = L0(1 +γ(T1 – T0))

- γ je definirana kao koeficijent linearne toplinske ekspanzije

-Tipične vrijednosti γ su:čelik: 6,7*10-6

bakar: 16,6*10-6

aluminij: 25*10-6

Slika 30.: Ekspanzija metala i fluida s promjenom temperature

aluminij: 25*10-6

- Novi volumen na slici 30b). dat je:

V1 = V0(1+α(T1 –T0))

- α je koeficijent volumne toplinske ekspanzije

Tipične vrijednosti α su:živa: 0,56*10-4

alkohol: 0,35*10-43

- Na slici 30b). porast volumena ΔV manifestira se kao promjena Δh u visini stupca tekućine u cijevi

- Ako je A površina presjeka tada jednadžba glasi:

Δh = ΔV/A

- Ako je površina A jako mala ovakvi termometri mogu mjeriti i jako male promjene u temperaturi

- Na ovome temelju radi svi živini termometri

- Bimetalni termometri: rade na osnovama dva spojena metala različitih koeficijenata toplinske ekspanzije

- Porastom temperature metal višeg koeficijenta toplinske ekspanzije izaziva savijanje toplinske poluge, te se javlja defleksija d koja je u funkciji temperature

- Defleksija d je jako mala ali se njena vrijednost može povećati upotrebom bimetalne opruge kao na slici 31b).

4

- Bimetalni termometri su prilično jeftini ali i dosta neprecizni

- Ne koriste se često u industriji jer ne mogu osigurati daljinsko davanje signala

- Temperaturno osjetni prekidači (termostati) se često temelje na osnovi kao na slici 31b).

Slika 31.: Bimetalni termometri: a) bimetalna poluga

b) bimetalna opruga

- Razlika je ta što se umjesto strijelice za pokazivanje koriste prekidni kontakti (switch contacts)

5

- Termometri s tlakom pare:- Isparljiva tekućina (volatile liquid)

nalazi se u donjem dijelu termometra i blokirana je s neisparljivom tekućinom koja ujedno ispunjava kapilarnu cijev do indikatora tlaka

- Tlak pare je povezan izravno s indikatorom tlaka te volumen i temperatura kapilarne cijevi nema nikakvih utjecaja

Slika 32.: Termometri s tlakom pare: a) krivulja tlaka

pare za metil-klorid, b) termometar

- Granica udaljenosti donjeg dijela termometra od indikatora tlaka je do 100m (limitirana brzinom reakcije do 20 s)

- Pošto nemaju nikakvih električnih dijelova pogodni su za prostorije s eksplozivnom atmosferom (hazardous

areas)

6

- Otporni termometri

- Električni otpor većine metala raste otprilike linerano s porastom temperature

- Ako metalna žica ima temperaturu R0 pri 0°C, električni otpor pri temperaturi T je:

RT = R0(1 + αT + βT2 + .....)

- Za većinu industrijskih primjena članovi jednadžbe s kvadratnom potencijom i više se mogu zanemariti te vrijedi jednadžba:

RT = R0(1 + αT)

- Gornja jednadžba vrijedi za raspon temperatura: 0 ˂ T ˂ 150°C

- Gdje se konstanta α zove temperaturni koeficijent električnog otpora

- Vrijednosti α su:METAL α

platina 0,0039bakar 0,0043nikal 0,0068

7

Slika 33.: Promjena otpora s promjenom temperature za različite metale

8

- Temperaturni senzori temeljeni na osnovama promjene električnog otpora zovu se otporni temperaturni senzori (resistance temperature detectors - RTD)

- Njihova specifikacije je data za otpor pri temperaturi od 0°C i za promjenu otpora u intervalima od 100°C

- Interval od 0°C do 100°C naziva se temeljni(fundametalni) interval

- RTD od platine projektirani su s otporom od 100 ohma pri 0°C

- Ovakvi senzori mogu se koristiti za temperaturne domete od -200°C do 800°C s - Ovakvi senzori mogu se koristiti za temperaturne domete od -200°C do 800°C s točnošću od ± 0,5% u intervalu od 0°C do 100°C , te s točnošću od ± 3% na ekstremnim temperaturnim dometima

- RTD su dostupni u različitim oblicima i prikazani su na slici 34. te su projektirani da štite metalnu žicu od mehaničkih oštećenja ali bez izazivanja dodatnih naprezanja metala

- Iako direktni kontakt metalne žice i fluida koji se mjeri ima najbolji efekt i najbrži odgovor, to se izbjegava zbog korozivnih oštećenja metalnih žica

9

Slika 34.: Otporni termometri od platine - različite konstrukcije

10

- Prije upotrebe signala s RTD senzora, signal se mora pretvoriti u električni napon ili jakost struje

- Električna struja koja se rasipa u RTD senzorima mora biti stroga limitirana da se izbjegnu greške zbog samog električnog zagrijavanja senzora (I2R)

- Najčešći električni krug koji se koristi prikazan je na slici 35. i zove se Wheatstoneov most

Slika 35.: Wheatstonov most

11

- Ako u mjernom krugu Wheatstonovog mosta postoji visoka impedancija tj. oba dijela mosta nisu podjednako pod naponom, jednadžba strujnog kruga glasi:

- Pošto se član RT pojavljuje i u brojniku i u nazivniku lijeve strane jednadžbe mjerena vrijednost V ne mjenja se linearno s promjenama otpora RT

- Postoji nekoliko načina da se prevlada ta nelinearnost, kao što je prikazano na slici 36.:

Slika 36.: Metode prevladavanja nelinearnosti izlaznog signala

12

- Nelinearnost se može reducirati na prihvatljivu razinu na način da se povećaju otpori R3 i R1 i to 100 puta (R3 >> RT, R1 >> R2)

- Ovo ima popratni efekt u smanjivanju napona mosta 100 puta, ali to se može riješiti s istosmjernim pojačalom koje će izlazni signal pojačati 100 puta (slika 36 a.)

- Nelinearnost se može riješiti i uključivanjem prikladnog kruga linearizacije koji će davati izlazni napon linearan s mjerenom temperaturom

- Ovdje se linearizacije postiže mikroprocesorskim instrumentima (slika 36 b.)

- U mnogim postrojenjima RTD se smješteni na udaljenosti od mjerne - U mnogim postrojenjima RTD se smješteni na udaljenosti od mjerne elektronike(pretvornika)

- Ta udaljenost, ako je dulja od nekoliko metara, izaziva nepoznati otpor r u strujnim vodovima, koji može dalje izazivati pogrešku u očitanim ulaznim signalima

- To se može riješiti povezivanjem s četri kabela kako je prikazano na slici 37.

- U svakom kabelu se izaziva jednaki otpor, pa se svi otpori anuliraju i mjeri se otpor izazvan samo promjenom otpora u RTD-u

13

Slika 37.: Utjecaj otpora u kabelima na RTD, a) dvokabelna veza, b) četverokabelna veza

Slika 38.: Trokabelna veza uobičajena u industrijskim uređajima

14

- Termistori

- RTD uređaji ostvaruju manji , ali linearan porast električnog otpora metala s porastom temperature

- Poluvodiči ostvaruju veliki, iako izrazito nelinearan, pad električnog otpora s porastom temperature

- Temperaturni senzori temeljeni na poluvodičima zovu se termistori

- Otpor termistora varira, te opada s porastom temperature (od 10 kohm pri 0°C do 200 ohm kod 100°C

15

- Termistori dolaze u različitim oblicima i veličinama, te su uobičajeno manji od otpornih termometara i imaju znatno brži odgovor

- Osjetljivost termistora čini ih prikladnima za električne krugove toplinskih alarma

- Osim termistora s negativnim temperaturnim koeficijentom moguće je proizvesti i termistore s pozitivnim temperaturnim koeficijentom (gdje otpor raste s porastom temperature)temperature)

- Takvi su termistori pogodni za sustave alarma a ne za mjerenje temperatura

16

Slika 39.: Krivulja otpora i temperature Slika 40.: Promjena u otporu kod pozitivnog

negativnog termistora termistora

17

- Termoparovi (thermocouples)

- Djeluju na osnovi termoelektriciteta tj. termoelektričnog efekta (Seebeckov efekt)

- Kada su dva različita metala spojena na krajevima s dva spoja te kada se jedan kraj grije na temperaturu T1, a drugi se drži na nižoj temperaturi T2, struja će poteći tim krugom

- Napon struje ovisi o vrstama metala i temperaturama T1 i T21 2

- Uređaji koji koriste ovaj efekt zovu se termoparovi

- Efekt se zbiva zbog porasta električnog potencijala na spojevima dvaju različitih metala

18

- Potencijali ovise o temperaturi metalnih spojeva i javljaju se zbog različitih električnih i toplinskih svojstava različitih metala

- Pojednostavljeno, elektroni na višoj temperaturi T1 imaju više toplinske energije od onih na nižoj temperaturi T2, te se zbiva tok elektrona od T1 prema T2, što izaziva električni napon (električni potencijal je vrlo malen, pa je i napon jako malen – desetinke milivolta)

- U slučaju da su temperature jednake tj. ako je T1 = T2 nema napona struje u termoparovima

Slika 41.: Jednostavni termopar

19

- Iako se svaki par različitih metala može koristiti za fomirati termoparove, tijekom niza godina došlo je do standarda u upotrebi metala za termoparove

Slika 42.: Osjetljivost različitih vrsta termoparova

20

Slika 43.: Tipovi termoparova

21

- Često je upotreba termoparova takva da je potrebna složenija instalacija termoparova u sustavu mjerenja (npr. jedan spoj termopara je na mjestu mjerenja signala a drugi u kontrolnoj sobi ili kontrolnom mjestu)

- U takvim slučajevima spojevi termoparova (terminali) se povezuju bakrenim žicama koje se još zovu i produžnim kabelima

- Takvo produženje izaziva razliku temperatura na krajevima takvih kabela (što izaziva promjenu napona signala koji je izmjeren mjernim spojem termopara )

- To se može izbjeći ugradnjom tzv. kompezacijskih kabela umjesto običnih bakrenih žica- To se može izbjeći ugradnjom tzv. kompezacijskih kabela umjesto običnih bakrenih žica

- Kompenzacijski kabeli su metali koji odgovaraju metalima termoparova tako da kompenziraju te razlike temperaturnih signala koji bi nastali upotrebom običnih produžnih kabela (ne izazivaju promjenu napona signala u kabelima)

- Mjerni spoj termopara može biti različito izveden ovisno o mjernom mjestu termopara (mjerni spojevi mogu biti potpuno izolirani ili potpuno izloženi)

22

Slika 44.: Izvedbe mjernih spojeva termoparova: Slika 45.: Upotreba kompenzacijskih kabela

a) izoliran, b) neizoliran, c)izložen

23

German DIN:

Slika 46.: Označavanje termoparova rezličitim bojama prema tipovima, te različite vrste termoparova

24

- Radijacijski pirometri

- Kada se neko tijelo zagrijava ono zrači elektromagnetsku energiju

- Pri niskim temperaturama zračenje se može osjetiti a pri višim temperaturama tijelo počinje emitirati i vidljivo zračenje u obliku svjetlosti (koja varira od crvene za tijelo niže temperature pa do bijele za tijelo visoke temperature)

- Ovakvo zračenje može se iskoristiti za mjerenje temperature toga tijela pomoću pirometara

- Pirometri zbog toga omogućuju nekontaktno mjerenje temperature tijela u uvjetima kada je potrebno npr. mjeriti temperaturu gibajućeg tijela ili tijela koje ima jako visoku temperaturu koja bi uništila ostale konvencionalne temperaturne senzore

- Prednosti pirometara su da mogu mjeriti vrijednosti temperatura neovisno o udaljenosti tijela kojeg se mjeri

- Zračenje tijela pada na temperaturni senzor pirometra a to su najčešće serijski spojeni termoparovi koji se zovu još i termoćelija (thermopile)

25

Slika 47.: Optički pirometar: a) temelji optičke pirometrije, b) termoćelija

26

Slika 48. Pirometrija i udaljenost od objekta mjerenja:

a) zračenje primljeno od jedne točke objekta smanjuje se s njegovim udaljavanjem

b) površina zračenja objekta povećava se njegovim udaljavanjemb) površina zračenja objekta povećava se njegovim udaljavanjem

- S udaljavanjem objekta koji je izvor zračenja, manja količina zračenja dolazi od izvorazračenja jer je kut radijacijskih zraka koje padaju na senzor manji

- Istovremeno površina izvora zračenja se povećava udaljavanjem objekta od senzorazračenja

- Ova dva efekta poništavaju jedan drugoga tako da je količina primljenog toplinskogzračenja na pirometru jednaka neovisno o udaljenosti objekta koji je izvor zračenja

27

Slika 49.: Ručni optički pirometar

28

- Signal iz termoćelije je vrlo malen i vrlo nelinearan

- Jedan od načina pojačavanja i linearizacije signala prikazan je na slici 50.

- Dolazeće zračenje se prekida s nazubljenim rotirajućim diskom

- Termoćelija ima vrlo malenu toplinsku vremensku konstantu pa temperatura termoćelije raste i pada uslijed prekidanja zračenja s rotirajućim diskom

- Pad i rast temperature generira izmjenični napon koji se pojačava i ispravlja u ispravljaču (rectifier), te se prije prikaza na displeju i linearizira ispravljaču (rectifier), te se prije prikaza na displeju i linearizira

Slika 50.: Prekidni pirometar29

Optički pirometri

Termoćelije30